DE102019126128A1

DE102019126128A1 - Gasturbinentriebwerk und Verfahren zum Kühlen eines Rotorkonus

Info

Publication number: DE102019126128A1
Application number: DE102019126128.7A
Authority: DE
Inventors: Hubert Dengg
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2019-09-27
Filing date: 2019-09-27
Publication date: 2021-04-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinentriebwerk, das aufweist: einen Axialverdichter (15) mit einem Rotor (4) und einem Stator (5) der axial hintersten Verdichterstufe, wobei der Rotor (4) einen Rotorkonus (43) aufweist; einen Kühlluftkanal (7), der axial vorne durch den Rotorkonus (43) und axial hinten durch einen statisch angeordneten Wandbereich (61) gebildet ist; einen Diffusor (60); eine Brennkammer (16); und eine Turbine (17) mit einer axial vordersten Turbinenstufe (101). Es sind eine Mehrzahl von Luftkanälen (8) vorgesehen, die vom Ausgang des Diffusors (60) abgezweigte Luft mit einer Richtungskomponente in Drehrichtung des Rotors (4) in den Kühlluftkanal (7) einblasen. Weiter ist eine Dichtung (44) vorgesehen, die stromaufwärts des Abschnitts (73), in dem Luft in den Kühlluftkanal (7) eingeblasen wird, im Kühlluftkanal (7) angeordnet ist. Der Kühlluftkanal (7) ist strömungstechnisch mit der axial vordersten Turbinenstufe (101) gekoppelt ist, so dass der Druck (p3) im Kühlluftkanal (7) in dem Abschnitt (73), in dem Luft in den Kühlluftkanal (7) eingeblasen wird, kleiner ist als der Druck (p1) im Hauptströmungskanal (90) im Bereich der axial hintersten Verdichterstufe (4, 5).

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinentriebwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Kühlen eines Rotorkonus in einem solchen Gasturbin entriebwerk.
Axialverdichter in Gasturbinentriebwerken bestehen aus einer Mehrzahl von Verdichterstufen, die jeweils eine Rotorstufe und eine Statorstufe umfassen. Innerhalb eines Axialverdichters nimmt die Temperatur der Verdichterluft von Verdichterstufe zu Verdichterstufe zu. Es ist bekannt, hinter der letzten Rotorstufe des Axialverdichters Verdichterluft in einen sich stromabwärts erstreckenden Kühlluftkanal strömen zu lassen, der der Versorgung stromabwärts liegender Triebwerkskomponenten wie beispielsweise von Turbinenkomponenten dient. Die hinter der letzten Rotorstufe abgezweigte Verdichterluft hoher Temperatur kommt dabei unmittelbar großflächig in Kontakt mit dem Rotorkonus der letzten Rotorstufe. Die hohen Temperaturen des Rotorkonus können zu dessen Schädigung und einer verkürzten Lebensdauer führen.
Die genannten Probleme gewinnen zunehmend an Bedeutung, da immer höhere Verdichtungstemperaturen in Axialverdichtern erreicht werden. Der Schutz der Bauteile gegen Heißgas stellt daher ein wichtiges Anliegen bei der Weiterentwicklung bekannter Axialverdichter dar. Insbesondere beim Rotorkonus der letzten Stufe eines Hochdruckverdichters liegt eine hohe thermische Materialbelastung vor.
Aus der US 2017/0292532 A1 und der US 2016/0146089 A1 ist es bekannt, zur Kühlung eines Rotorkonus Kühlluft einzusetzen, die dem zwischen der letzten Verdichterstufe und der Brennkammer angeordneten Diffusor entnommen und über Kanäle in den Kühlluftkanal eingeblasen wird. Dabei ist bei der US 2017/0292532 A1 vorgesehen, dass die Kühlluft am Ausgang der Kanäle einen erhöhten Druck aufweist und teilweise in den Hauptströmungskanal zurückströmt. Bei der US 2016/0146089 A1 ist vorgesehen, dass die Kühlluft in einen Rezirkulationsbereich eingeblasen wird, in dem sie zuerst radial nach außen bewegt und dann mit Luft des Hauptströmungskanals vermischt wird, wobei sie durch die Luft des Hauptströmungskanals umgelenkt und in den Kühlluftkanal eingeblasen wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Gasturbinentriebwerk und ein Verfahren bereitzustellen, die eine effiziente Kühlung des Rotorkonus der letzten Verdichterstufe eines Verdichters des Gasturbinentriebwerks ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Gasturbinentriebwerk mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Kühlen eines Rotorkonus mit den Merkmalen des Patentanspruchs 17 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Danach betrachtet die Erfindung gemäß einem ersten Erfindungsaspekt ein Gasturbinentriebwerk, das einen Axialverdichter im Hauptströmungskanal des Gasturbinentriebwerks umfasst. Der Axialverdichter umfasst eine axial hinterste Verdichterstufe, die einen Rotor und einen zu diesem stromabwärts angeordneten Stator umfasst. Dabei weist der Rotor einen Rotorkonus auf, der sich in axialer Richtung verjüngt. Im Betrieb des Gasturbinentriebwerks liegt eine Drehrichtung des Rotors vor. Das Gasturbinentriebwerk umfasst des Weiteren einen Kühlluftkanal, der stromabwärts des Rotors vom Hauptströmungskanal abzweigt und der einen schräg zur axialen Richtung verlaufende Abschnitt aufweist. Dabei ist der schräg zur axialen Richtung verlaufende Abschnitt axial vorne durch den Rotorkonus und axial hinten durch einen statisch angeordneten Wandbereich gebildet, der beabstandet zum Rotorkonus angeordnet ist. Stromabwärts der axial hintersten Verdichterstufe ist ein Diffusor angeordnet, der dazu vorgesehen und ausgebildet ist, kinetische Energie der Strömung im Hauptströmungskanal in statische Druckerhöhung zu wandeln. Stromabwärts des Diffusors ist eine Brennkammer vorgesehen, der die durch den Diffusor in ihrem Druck erhöhte Luft zugeführt wird. Stromabwärts der Brennkammer ist eine Turbine mit einer axial vordersten Turbinenstufe angeordnet. Der Kühlluftkanal ist dazu vorgesehen und ausgebildet, Kühlluft der axial vordersten Turbinenstufe zuzuführen.
Es sind eine Mehrzahl von Luftkanälen vorhanden, die dazu vorgesehen und ausgebildet sind, vom Ausgang des Diffusors abgezweigte Luft des Hauptströmungskanals mit einer Richtungskomponente in Drehrichtung des Rotors in den Kühlluftkanal einzublasen. Weiter ist eine Dichtung vorgesehen, die stromaufwärts des Abschnitts, in dem Luft in den Kühlluftkanal eingeblasen, im Kühlluftkanal angeordnet ist. Dabei ist der Kühlluftkanal strömungstechnisch derart mit der axial vordersten Turbinenstufe gekoppelt, dass im Betrieb des Gasturbinentriebwerks der Druck im Kühlluftkanal in dem Abschnitt, in dem Luft in den Kühlluftkanal eingeblasen wird, kleiner ist als der Druck im Hauptströmungskanal im Bereich der axial hintersten Verdichterstufe.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Gedanken, eine verbesserte Kühlung des Rotorkonus bereitzustellen, indem die Luft im Hauptströmungskanal hinter dem Rotor zunächst im Diffusor in ihrem statischen Druck erhöht und anschließend mit einem hohen treibenden Druckgefälle und damit in effektiver Weise in den Kühlluftkanal zur Kühlung des Rotorkonus eingeblasen wird. Das treibende Druckgefälle ist dabei insofern besonders hoch, als der Druck im Kühlluftkanal kleiner ist als der Druck im Hauptströmungskanal im Bereich der axial hintersten Verdichterstufe. Dies wird zum einen dadurch erreicht, dass der Kühlluftkanal strömungstechnisch mit einer Drucksenke in der axial vordersten Turbinenstufe der Turbine des Gasturbinentriebwerks verbunden ist. Hierdurch liegt der niedrigere Druck der Drucksenke im Wesentlichen am Ausgang der Luftkanäle vor, die die Kühlluft in den Kühlluftkanal einblasen. Der Druck im Kühlluftkanal wird somit durch den Druck der Drucksenke beeinflusst und eingestellt.
Dass der Druck im Kühlluftkanal kleiner ist als der Druck im Hauptströmungskanal wird zum anderen durch die Dichtung erreicht, die stromaufwärts des Abschnitts, in dem Luft in den Kühlluftkanal eingeblasen, im Kühlluftkanal angeordnet ist, und die einen Druckunterschied zwischen dem Hauptströmungskanal und dem Kühlluftkanal aufrecht erhält. Die Dichtung ist dabei naturgemäß nicht vollständig undurchlässig und lässt einen kleinen Teil der Luft im Hauptströmungskanal als Leckageströmung in den Kühlluftkanal strömen. Das Druckgefälle ist dabei dahingehend, dass die Leckageströmung vom Hauptströmungskanal in den Kühlluftkanal strömt.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem weiteren Gedanken, eine verbesserte Kühlung des Rotorkonus bereitzustellen, indem die Luft durch die Luftkanäle mit einer Richtungskomponente in Drehrichtung des Rotors in den Kühlluftkanal eingeblasen wird. Der verbesserte Kühleffekt erfolgt dadurch, dass mit reduzierter Relativgeschwindigkeit zwischen der Kühlluft und dem Rotorkonus die Effektivität der Kühlung zunimmt. Dies hängt damit zusammen, dass die Totaltemperatur der Luft, die der Rotorkonus sieht, mit abnehmender Relativgeschwindigkeit zwischen der Kühlluft und dem Rotorkonus ebenfalls abnimmt.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht somit durch Bereitstellung eines hohen treibenden Druckgefälles über den Luftkanälen und ein Einblasen der Kühlluft in den Kühlluftkanal mit einer Richtungskomponente in Drehrichtung des Rotors eine effektive Kühlung des Rotorkonus. Die betrachteten Drücke sind jeweils die statischen Drücke.
Die Drucksenke, deren Druck im Kühlluftkanal anliegt, liegt im Bereich der axial vordersten Turbinenstufe vor, da sowohl bei Durchströmung der Brennkammer als auch durch die Beschleunigung des Gases im Leitrad der axial vordersten Turbinenstufe (dem Eintrittsleitrad) ein Druckverlust auftritt. Im Bereich der axial vordersten Turbinenstufe liegt somit ein statischer Druck vor, der niedriger ist als der statische Druck im Bereich der axial hintersten Verdichterstufe des Axialverdichters. Ein Teil der Kühlluft, die durch den Kühlluftkanal transportiert wird, dient beispielsweise der Kühlung der Turbinenscheiben, ein Teil dient der Schaufelkühlung der Rotorschaufeln und ein weiterer Teil wird als Sperrluft im Spalt zwischen Stator und Rotor ausgeblasen, um Heißgaseinzug zu vermeiden.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Luftkanäle jeweils eine Eingangsöffnung und eine Ausgangsöffnung aufweisen, wobei die Eingangsöffnung mit der in ihrem Druck erhöhten Luft des Diffusors beaufschlagt ist und die Ausgangsöffnung in dem statisch angeordneten Wandbereich ausgebildet oder beabstandet zu dem statisch angeordneten Wandbereich im Kühlluftkanal angeordnet ist. Die Austrittsöffnung ist somit beispielsweise ein Loch in dem statisch angeordneten Wandbereich, der den Kühlluftkanal begrenzt, oder am Ende zum Beispiel einer Röhre ausgebildet, die durch den Wandbereich stößt und in den Kühlluftkanal hineinragt.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Eingangsöffnung der Luftkanäle bezogen auf die Strömungsrichtung im Gasturbinentriebwerk jeweils stromabwärts der Ausgangsöffnung angeordnet ist. Dies stellt den typischen Fall dar. Die Kühlluft wird somit hinter dem Diffusor umgelenkt und in den Luftkanälen mit einer Strömungsrichtung axial nach vorne (d. h. entgegen die axiale Richtung, die zum Triebwerksausgang zeigt) transportiert. Abhängig von der Länge des Diffusors und dem genauen Verlauf des Kühlluftkanals ist es jedoch auch denkbar, dass die Kühlluft in den Luftkanälen in anderer Richtung, beispielsweise primär in radialer Richtung transportiert wird.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Luftkanäle derart ausgebildet sind, dass die Luft mit einer axial nach vorne gerichteten Komponente in den Kühlluftkanal einblasen wird. Damit prallt sie nach Eintritt in den Kühlluftkanal schräg auf den zu kühlenden Rotorkonus. Dabei gilt grundsätzlich, dass die axial nach vorne gerichtete Komponente der Kühlluft möglichst gering und die in Umfangsrichtung bzw. in Drehrichtung gerichtete Komponente der Kühlluft möglichst groß ist, um eine effektive Kühlung zu erreichen. Ausgestaltungen hierzu sehen vor, dass die Luftkanäle derart ausgerichtet sind, dass die Luft in einem Winkel zur axialen Richtung in den Kühlluftkanal eingeblasen wird, der im Bereich zwischen 100° und 150° liegt.
In welchem Bereich des Kühlluftkanals die Kühlluft über die Kühlluftkanäle in den Kühlluftkanal eingeblasen wird, kann unterschiedlich ausgelegt sein. Eine Ausgestaltung hierzu sieht vor, dass die Luft im Bereich des schräg zur axialen Richtung (d. h. schräg in Richtung der Maschinenachse) verlaufenden Abschnitts in den Kühlluftkanal eingeblasen wird, also in einen Bereich, in dem sich der zu kühlende Rotorkonus erstreckt. Dabei kann alternativ oder gleichzeitig vorgesehen sein, dass die Kühlluft in einen Bereich des Kühlluftkanals eingeblasen wird, in dem sie eine besondere Kühlungsaufgabe erfüllen kann, beispielsweise die Kühlung einer geschweißten Verbindung zwischen dem Rotorkonus und einem Abschnitt der Rotorscheibe.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Luftkanäle zumindest teilweise durch den statisch angeordneten Wandbereich gehalten und positioniert sind. Zum Halten und Positionieren der Luftkanäle können dabei weitere statische Wandbereiche hinzu kommen. Dabei gilt allgemein, dass der statisch angeordnete Wandbereich und gegebenenfalls weitere statische Wandbereiche mit dem Stator und/oder dem Diffusor und/oder dem Gehäuse der Brennkammer verbunden sind. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Diffusor mit dem im Gehäuse der Brennkammer verbunden ist.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Luftkanäle jeweils durch Röhren gebildet sind. Die stellt jedoch nur eine beispielhafte Implementierung dar. Grundsätzlich können die Luftkanäle in beliebiger Weise realisiert sein, beispielsweise alternativ durch zusammenwirkende Bleche bzw. Wandabschnitte.
Gemäß einer Ausgestaltung weisen die Luftkanäle jeweils einen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt auf. Auch dies ist jedoch lediglich beispielhaft zu verstehen. Auch andere Querschnitte sind möglich, beispielsweise ein rechteckiger Querschnitt.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Luftkanäle jeweils gradlinig ausgebildet sind. Dies ermöglicht eine einfache Implementierung und eine exakte Ausrichtung der Strömungsrichtung bzw. der Einblasrichtung in den Kühlluftkanal. Jedoch können die Kühlluftkanäle grundsätzlich auch gebogen ausgebildet sein oder sowohl gebogene als auch geradlinige Abschnitte oder unterschiedlich ausgerichtete geradlinige Abschnitte aufweisen.
Die Kühlluftkanäle sind in Umfangsrichtung zueinander beabstandet, wobei sie eine ringförmige Anordnung bilden. Beispielsweise sind zwischen 15 und 30 Kühlluftkanälen vorgesehen, die Kühlluft in den ringförmigen Kühlluftkanal einblasen.
Wie erläutert sieht ein Aspekt der vorliegenden Erfindung vor, dass der Kühlluftkanal strömungstechnisch derart mit der axial vordersten Turbinenstufe gekoppelt ist, dass im Betrieb des Gasturbinentriebwerks der Druck im Kühlluftkanal mitbestimmt wird durch den Druck einer Drucksenke, die das Gasturbinentriebwerk im Bereich der axial vordersten Turbinenstufe ausbildet. Hierzu ist gemäß einer Ausgestaltung vorgesehen, dass der Kühlluftkanal keine Dichtung in dem Abschnitt aufweist, der sich zwischen dem Abschnitt, in den Kühlluft durch die Kühlluftkanäle eingeblasen wird, und der Drucksenke erstreckt. Alternativ ist in diesem Abschnitt zwar eine Dichtung angeordnet. An dieser liegt jedoch kein substanzielle Druckabfall vor, d. h. trotz der Dichtung ist im Betrieb des Gasturbinentriebwerks der Druck im Kühlluftkanal in dem Abschnitt, in dem Luft in den Kühlluftkanal eingeblasen wird, kleiner ist als der Druck im Hauptströmungskanal im Bereich der axial hintersten Verdichterstufe.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Diffusor einstückig mit dem Stator der axial hintersten Verdichterstufe ausgebildet ist. Alternativ handelt es sich um zwei gesonderte, in axialer Richtung hintereinander angeordnete Bauteile.
Die Dichtung, die stromaufwärts des Abschnitts, in dem Luft in den Kühlluftkanal eingeblasen, im Kühlluftkanal angeordnet ist, ist beispielsweise am Rotor befestigt. Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zwischen dem Rotor und dem zu diesem stromabwärts angeordneten Stator radial innen ein Ringspalt ausbildet ist, ausgehend von dem sich der Kühlluftkanal erstreckt, wobei die Dichtung in dem Ringspalt zwischen dem Rotor und dem Stator oder angrenzend an diesen angeordnet ist.
Gemäß einem weiteren Erfindungsaspekt weist das Gasturbinentriebwerk auf:

- einen Triebwerkskern, der die Turbine, den Verdichter und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende, als Hohlwelle ausgebildete Turbinenwelle umfasst;
- einen Fan, der stromaufwärts des Triebwerkskerns positioniert ist; und
- ein Getriebe, das einen Eingang von der Turbinenwelle empfängt und Antrieb für den Fan zum Antreiben des Fans über eine Fanwelle mit einer niedrigeren Drehzahl als die Turbinenwelle abgibt,

Gemäß einem zweiten Erfindungsaspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kühlen eines Rotorkonus eines Rotors der axial hintersten Verdichterstufe eines Axialverdichters in einem Gasturbinentriebwerk, insbesondere in einem Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

- Bereitstellen eines Kühlluftkanals zwischen dem Rotorkonus und einem zum Rotorkonus beabstandeten, statisch angeordneten Wandbereich, wobei der Kühlluftkanal strömungstechnisch mit einer Drucksenke im Bereich der axial vordersten Turbinenstufe der Turbine des Gasturbinentriebwerks gekoppelt ist,
- Abzweigen von Luft aus dem Hauptströmungskanal des Gasturbinentriebwerks, nachdem die Luft einen stromabwärts der axial hintersten Verdichterstufe des Axialverdichters angeordneten Diffusor passiert hat;
- Leiten der abgezweigten Luft über Luftkanäle in den Kühlluftkanal, wobei die Luft mit einer Richtungskomponente in Drehrichtung des Rotors in den Kühlluftkanal eingeblasen wird, und
- Leiten der in den Kühlluftkanal eingeblasenen Luft entlang des Rotorkonus und weiter in Richtung der Drucksenke,
- wobei der Druck im Kühlluftkanal aufgrund der strömungstechnischen Kopplung mit der Drucksenke in dem Abschnitt, in dem Luft in den Kühlluftkanal eingeblasen wird, geringer ist als der Druck im Hauptströmungskanal im Bereich der axial hintersten Verdichterstufe, wobei diese Druckdifferenz zumindest teilweise aufrechterhalten wird durch eine Dichtung, die stromaufwärts des Abschnitts, in dem Luft in den Kühlluftkanal eingeblasen, im Kühlluftkanal angeordnet ist.

Eine Ausgestaltung hierzu sieht vor, dass die Luft, die über die Luftkanäle in den Kühlluftkanal eingeblasen wird, stromabwärts der Hinterkante des Diffusors entnommen wird, so dass sie einen hohen statischen Druck aufweist.
Grundsätzlich ist es denkbar, dass die Luft, nachdem sie hinter dem Diffusor dem Hauptströmungskanal entnommen ist und bevor sie aufgrund des treibenden Druckverhältnisse in die Kühlluftkanäle strömt, eine zusätzliche Kühlung in einem Wärmetauscher erfährt. Dies kann in Ausführungsvarianten der Erfindung vorgesehen sein.
Es wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung bezogen auf ein zylindrisches Koordinatensystem beschrieben ist, das die Koordinaten x, r und φ aufweist. Dabei gibt x die axiale Richtung, r die radiale Richtung und φ den Winkel in Umfangsrichtung an. Die axiale Richtung ist dabei identisch mit der Maschinenachse eines Gasturbinentriebwerks, wobei die axiale Richtung vom Triebwerkseingang in Richtung des Triebwerksausgangs zeigt. Von der x-Achse ausgehend zeigt die radiale Richtung radial nach außen. Begriffe wie „vor“, „hinter“, „vordere“ und „hintere“ beziehen sich auf die axiale Richtung bzw. die Strömungsrichtung im Triebwerk. Begriffe wie „äußere“ oder „innere“ beziehen sich auf die radiale Richtung.
Wie hier an anderer Stelle angeführt wird, kann sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk beziehen. Solch ein Gasturbinentriebwerk kann einen Triebwerkskern umfassen, der eine Turbine, einen Brennraum, einen Verdichter und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende Kernwelle umfasst. Solch ein Gasturbinentriebwerk kann ein Gebläse (mit Gebläseschaufeln) umfassen, das stromaufwärts des Triebwerkskerns positioniert ist.
Anordnungen der vorliegenden Offenbarung können insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, für Gebläse, die über ein Getriebe angetrieben werden, von Vorteil sein. Entsprechend kann das Gasturbinentriebwerk ein Getriebe umfassen, das einen Eingang von der Kernwelle empfängt und Antrieb für das Gebläse zum Antreiben des Gebläses mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle abgibt. Der Eingang für das Getriebe kann direkt von der Kernwelle oder indirekt von der Kernwelle, beispielsweise über eine Stirnwelle und/oder ein Stirnzahnrad, erfolgen. Die Kernwelle kann mit der Turbine und dem Verdichter starr verbunden sein, so dass sich die Turbine und der Verdichter mit derselben Drehzahl drehen (wobei sich das Gebläse mit einer niedrigeren Drehzahl dreht).
Das Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann eine beliebige geeignete allgemeine Architektur aufweisen. Beispielsweise kann das Gasturbinentriebwerk eine beliebige gewünschte Anzahl an Wellen, die Turbinen und Verdichter verbinden, beispielsweise eine, zwei oder drei Wellen, aufweisen. Lediglich beispielhaft kann die mit der Kernwelle verbundene Turbine eine erste Turbine sein, der mit der Kernwelle verbundene Verdichter kann ein erster Verdichter sein und die Kernwelle kann eine erste Kernwelle sein. Der Triebwerkskern kann ferner eine zweite Turbine, einen zweiten Verdichter und eine zweite Kernwelle, die die zweite Turbine mit dem zweiten Verdichter verbindet, umfassen. Die zweite Turbine, der zweite Verdichter und die zweite Kernwelle können dahingehend angeordnet sein, sich mit einer höheren Drehzahl als die erste Kernwelle zu drehen.
Bei solch einer Anordnung kann der zweite Verdichter axial stromabwärts des ersten Verdichters positioniert sein. Der zweite Verdichter kann dahingehend angeordnet sein, Strömung von dem ersten Verdichter aufzunehmen (beispielsweise direkt aufzunehmen, beispielsweise über einen allgemein ringförmigen Kanal).
Das Getriebe kann dahingehend angeordnet sein, von der Kernwelle, die dazu konfiguriert ist, sich (beispielsweise im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen, (beispielsweise die erste Kernwelle in dem obigen Beispiel) angetrieben zu werden. Beispielsweise kann das Getriebe dahingehend angeordnet sein, lediglich von der Kernwelle, die dazu konfiguriert ist, sich (beispielsweise im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen, (beispielsweise nur von der ersten Kernwelle und nicht der zweiten Kernwelle bei dem obigen Beispiel) angetrieben zu werden. Alternativ dazu kann das Getriebe dahingehend angeordnet sein, von einer oder mehreren Wellen, beispielsweise der ersten und/oder der zweiten Welle in dem obigen Beispiel, angetrieben zu werden.
Bei einem Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann ein Brennraum axial stromabwärts des Gebläses und des Verdichters (der Verdichter) vorgesehen sein. Beispielsweise kann der Brennraum direkt stromabwärts des zweiten Verdichters (beispielsweise an dessen Ausgang) liegen, wenn ein zweiter Verdichter vorgesehen ist. Als ein weiteres Beispiel kann die Strömung am Ausgang des Verdichters dem Einlass der zweiten Turbine zugeführt werden, wenn eine zweite Turbine vorgesehen ist. Der Brennraum kann stromaufwärts der Turbine (der Turbinen) vorgesehen sein.
Der oder jeder Verdichter (beispielsweise der erste Verdichter und der zweite Verdichter gemäß obiger Beschreibung) kann eine beliebige Anzahl an Stufen, beispielsweise mehrere Stufen, umfassen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorschaufeln, bei denen es sich um variable Statorschaufeln (dahingehend, dass ihr Anstellwinkel variabel sein kann) handeln kann, umfassen. Die Reihe von Rotorschaufeln und die Reihe von Statorschaufeln können axial voneinander versetzt sein.
Die oder jede Turbine (beispielsweise die erste Turbine und die zweite Turbine gemäß obiger Beschreibung) kann eine beliebige Anzahl an Stufen, beispielsweise mehrere Stufen, umfassen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorschaufeln umfassen. Die Reihe von Rotorschaufeln und die Reihe von Statorschaufeln können axial voneinander versetzt sein.
Jede Gebläseschaufel kann mit einer radialen Spannweite definiert sein, die sich von einem Fuß (oder einer Nabe) an einer radial innenliegenden von Gas überströmten Stelle oder an einer Position einer Spannbreite von 0 % zu einer Spitze an einer Position einer Spannbreite von 100 % erstreckt. Das Verhältnis des Radius der Gebläseschaufel an der Nabe zu dem Radius der Gebläseschaufel an der Spitze kann weniger als (oder in der Größenordnung von): 0,4, 0,39, 0,38, 0,37, 0,36, 0,35, 0,34, 0,33, 0,32, 0,31, 0,3, 0,29, 0,28, 0,27, 0,26 oder 0,25 liegen. Das Verhältnis des Radius der Gebläseschaufel an der Nabe zu dem Radius der Gebläseschaufel an der Spitze kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Diese Verhältnisse können allgemeinhin als das Nabe-Spitze-Verhältnis bezeichnet werden. Der Radius an der Nabe und der Radius an der Spitze können beide an dem vorderen Randteil (oder dem axial am weitesten vorne liegenden Rand) der Schaufel gemessen werden. Das Nabe-Spitze-Verhältnis bezieht sich natürlich auf den von Gas überströmten Abschnitt der Gebläseschaufel, d. h. den Abschnitt, der sich radial außerhalb jeglicher Plattform befindet.
Der Radius des Gebläses kann zwischen der Mittellinie des Triebwerks und der Spitze der Gebläseschaufel an ihrem vorderen Rand gemessen werden. Der Durchmesser des Gebläses (der einfach das Doppelte des Radius des Gebläses sein kann) kann größer als (oder in der Größenordnung von): 250 cm (etwa 100 Inch), 260 cm, 270 cm (etwa 105 Inch), 280 cm (etwa 110 Inch), 290 cm (etwa 115 Inch), 300 cm (etwa 120 Inch), 310 cm, 320 cm (etwa 125 Inch), 330 cm (etwa 130 Inch), 340 cm (etwa 135 Inch), 350 cm, 360 cm (etwa 140 Inch), 370 cm (etwa 145 Inch), 380 cm (etwa 150 Inch) oder 390 cm (etwa 155 Inch) sein (liegen). Der Gebläsedurchmesser kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Die Drehzahl des Gebläses kann im Gebrauch variieren. Allgemein ist die Drehzahl geringer für Gebläse mit einem größeren Durchmesser. Lediglich als ein nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Gebläses bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen weniger als 2500 U/min, beispielsweise weniger als 2300 U/min, betragen. Lediglich als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann auch die Drehzahl des Gebläses bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen für ein Triebwerk mit einem Gebläsedurchmesser im Bereich von 250 cm bis 300 cm (beispielsweise 250 cm bis 280 cm) im Bereich von 1700 U/min bis 2500 U/min, beispielsweise im Bereich von 1800 U/min bis 2300 U/min, beispielsweise im Bereich von 1900 U/min bis 2100 U/min, liegen. Lediglich als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Gebläses bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen für ein Triebwerk mit einem Gebläsedurchmesser im Bereich von 320 cm bis 380 cm in dem Bereich von 1200 U/min bis 2000 U/min, beispielsweise in dem Bereich von 1300 U/min bis 1800 U/min, beispielsweise in dem Bereich von 1400 U/min bis 1600 U/min, liegen.
Im Gebrauch des Gasturbinentriebwerks dreht sich das Gebläse (mit zugehörigen Gebläseschaufeln) um eine Drehachse. Diese Drehung führt dazu, dass sich die Spitze der Gebläseschaufel mit einer Geschwindigkeit U_Spitze bewegt. Die von den Gebläseschaufeln an der Strömung verrichtete Arbeit resultiert in einem Anstieg der Enthalpie dH der Strömung. Eine Gebläsespitzenbelastung kann als dH/U_Spitze ² definiert werden, wobei dH der Enthalpieanstieg (beispielsweise der durchschnittliche 1-D-Enthalpieanstieg) über das Gebläse hinweg ist und U_Spitze die (Translations-) Geschwindigkeit der Gebläsespitze, beispielsweise an dem vorderen Rand der Spitze, ist (die als Gebläsespitzenradius am vorderen Rand multipliziert mit der Winkelgeschwindigkeit definiert werden kann). Die Gebläsespitzenbelastung bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen kann mehr als (oder in der Größenordnung von): 0,3, 0,31, 0,32, 0,33, 0,34, 0,35, 0,36, 0,37, 0,38, 0,39 oder 0,4 betragen (liegen) (wobei alle Einheiten in diesem Abschnitt Jkg^-1 K^-1/(ms^-1)² sind). Die Gebläsespitzenbelastung kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Gasturbinentriebwerke gemäß der vorliegenden Offenbarung können ein beliebiges gewünschtes Bypassverhältnis aufweisen, wobei das Bypassverhältnis als das Verhältnis des Massendurchsatzes der Strömung durch den Bypasskanal zu dem Massendurchsatz der Strömung durch den Kern bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen definiert wird. Bei einigen Anordnungen kann das Bypassverhältnis mehr als (in der Größenordnung von): 10, 10,5, 11, 11,5, 12, 12,5, 13, 13,5, 14, 14,5, 15, 15,5, 16, 16,5 oder 17 betragen (liegen). Das Bypassverhältnis kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Der Bypasskanal kann im Wesentlichen ringförmig sein. Der Bypasskanal kann sich radial außerhalb des Triebwerkskerns befinden. Die radial äußere Fläche des Bypasskanals kann durch eine Triebwerksgondel und/oder ein Gebläsegehäuse definiert werden.
Das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann als das Verhältnis des Staudrucks stromaufwärts des Gebläses zu dem Staudruck am Ausgang des Höchstdruckverdichters (vor dem Eingang in den Brennraum) definiert werden. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, bei Konstantgeschwindigkeit mehr als (oder in der Größenordnung von): 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75 betragen (liegen). Das Gesamtdruckverhältnis kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Der spezifische Schub eines Triebwerks kann als der Nettoschub des Triebwerks dividiert durch den Gesamtmassenstrom durch das Triebwerk hindurch definiert werden. Bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen kann der spezifische Schub eines Triebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, weniger als (oder in der Größenordnung von): 110 Nkg^-1s, 105 Nkg^-1s, 100 Nkg^-1s, 95 Nkg^-1s, 90 Nkg^-1s, 85 Nkg^-1s oder 80 Nkg^-1s betragen (liegen). Der spezifische Schub kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Solche Triebwerke können im Vergleich zu herkömmlichen Gasturbinentriebwerken besonders effizient sein.
Ein Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann einen beliebigen gewünschten Höchstschub aufweisen. Lediglich als ein nicht einschränkendes Beispiel kann eine Gasturbine, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, zur Erzeugung eines Höchstschubs von mindestens (oder in der Größenordnung von): 160kN, 170kN, 180kN, 190kN, 200kN, 250kN, 300kN, 350kN, 400kN, 450kN, 500kN oder 550kN in der Lage sein. Der Höchstschub kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Der Schub, auf den oben Bezug genommen wird, kann der Nettohöchstschub bei standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen auf Meereshöhe plus 15 Grad C (Umgebungsdruck 101,3 kPa, Temperatur 30 Grad C) bei statischem Triebwerk sein.
Im Gebrauch kann die Temperatur der Strömung am Eingang der Hochdruckturbine besonders hoch sein. Diese Temperatur, die als TET bezeichnet werden kann, kann an dem Ausgang zum Brennraum, beispielsweise unmittelbar stromaufwärts der ersten Turbinenschaufel, die wiederum als eine Düsenleitschaufel bezeichnet werden kann, gemessen werden. Bei Konstantgeschwindigkeit kann die TET mindestens (oder in der Größenordnung von): 1400K, 1450K, 1500K, 1550K, 1600K oder 1650K betragen (liegen). Die TET bei Konstantgeschwindigkeit kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Die maximale TET im Gebrauch des Triebwerks kann beispielsweise mindestens (oder in der Größenordnung von): 1700K, 1750K, 1800K, 1850K, 1900K, 1950K oder 2000K betragen (liegen). Die maximale TET kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Die maximale TET kann beispielsweise bei einer Bedingung von hohem Schub, beispielsweise bei einer MTO-Bedingung (MTO - Maximum Take-Off thrust - maximaler Startschub), auftreten.
Eine Gebläseschaufel und/oder ein Blattabschnitt einer Gebläseschaufel, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann aus einem beliebigen geeigneten Material oder einer Kombination aus Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann zumindest ein Teil der Gebläseschaufel und/oder des Blatts zumindest zum Teil aus einem Verbundstoff, beispielsweise einem Metallmatrix-Verbundstoff und/oder einem Verbundstoff mit organischer Matrix, wie z. B. Kohlefaser, hergestellt werden. Als ein weiteres Beispiel kann zumindest ein Teil der Gebläseschaufel und/oder des Blatts zumindest zum Teil aus einem Metall, wie z. B. einem auf Titan basierendem Metall oder einem auf Aluminium basierenden Material (wie z. B. einer Aluminium-Lithium-Legierung) oder einem auf Stahl basierenden Material hergestellt werden. Die Gebläseschaufel kann mindestens zwei Bereiche umfassen, die unter Verwendung verschiedener Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann die Gebläseschaufel einen vorderen Schutzrand aufweisen, der unter Verwendung eines Materials hergestellt wird, das dem Aufschlagen (beispielsweise von Vögeln, Eis oder anderem Material) besser widerstehen kann als der Rest der Schaufel. Solch ein vorderer Rand kann beispielsweise unter Verwendung von Titan oder einer auf Titan basierenden Legierung hergestellt werden. Somit kann die Gebläseschaufel lediglich als ein Beispiel einen auf Kohlefaser oder Aluminium basierenden Körper (wie z. B. eine Aluminium-Lithium-Legierung) mit einem vorderen Rand aus Titan aufweisen.
Ein Gebläse, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann einen mittleren Abschnitt umfassen, von dem sich die Gebläseschaufeln, beispielsweise in einer radialen Richtung, erstrecken können. Die Gebläseschaufeln können auf beliebige gewünschte Art und Weise an dem mittleren Abschnitt angebracht sein. Beispielsweise kann jede Gebläseschaufel eine Fixierungsvorrichtung umfassen, die mit einem entsprechenden Schlitz in der Nabe (oder Scheibe) in Eingriff gelangen kann. Lediglich als ein Beispiel kann solch eine Fixierungsvorrichtung in Form eines Schwalbenschwanzes vorliegen, der zur Fixierung der Gebläseschaufel an der Nabe/Scheibe in einen entsprechenden Schlitz in der Nabe/Scheibe eingesteckt und/oder damit in Eingriff gebracht werden kann. Als ein weiteres Beispiel können die Gebläseschaufeln integral mit einem mittleren Abschnitt ausgebildet sein. Solch eine Anordnung kann als eine Blisk oder ein Bling bezeichnet werden. Ein beliebiges geeignetes Verfahren kann zur Herstellung solch einer Blisk oder solch eines Bling verwendet werden. Beispielsweise kann zumindest ein Teil der Gebläseschaufeln aus einem Block maschinell herausgearbeitet werden und/oder mindestens ein Teil der Gebläseschaufeln kann durch Schweißen, wie z. B. lineares Reibschweißen, an der Nabe/Scheibe angebracht werden.
Die Gasturbinentriebwerke, die hier beschrieben und/oder beansprucht werden, können oder können nicht mit einer VAN (Variable Area Nozzle - Düse mit variablem Querschnitt) versehen sein. Solch eine Düse mit variablem Querschnitt kann eine Variation des Ausgangsquerschnitts des Bypasskanals im Gebrauch gestatten. Die allgemeinen Prinzipien der vorliegenden Offenbarung können auf Triebwerke mit oder ohne eine VAN zutreffen.
Das Gebläse einer Gasturbine, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann eine beliebige gewünschte Anzahl an Gebläseschaufeln, beispielsweise 16, 18, 20 oder 22 Gebläseschaufeln, aufweisen.
Gemäß der hier erfolgenden Verwendung können Konstantgeschwindigkeitsbedingungen Konstantgeschwindigkeitsbedingungen eines Luftfahrzeugs, an dem das Gasturbinentriebwerk angebracht ist, bedeuten. Solche Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können herkömmlicherweise als die Bedingungen während des mittleren Teils des Flugs definiert werden, beispielsweise die Bedingungen, denen das Luftfahrzeug und/oder das Triebwerk zwischen (hinsichtlich Zeit und/oder Entfernung) dem Ende des Steigflugs und dem Beginn des Sinkflugs ausgesetzt wird bzw. werden.
Lediglich als ein Beispiel kann die Vorwärtsgeschwindigkeit bei der Konstantgeschwindigkeitsbedingung bei einem beliebigen Punkt im Bereich von Mach 0,7 bis 0,9, beispielsweise 0,75 bis 0,85, beispielsweise 0,76 bis 0,84, beispielsweise 0,77 bis 0,83, beispielsweise 0,78 bis 0,82, beispielsweise 0,79 bis 0,81, beispielsweise in der Größenordnung von Mach 0,8, in der Größenordnung von Mach 0,85 oder in dem Bereich von 0,8 bis 0,85 liegen. Eine beliebige Geschwindigkeit innerhalb dieser Bereiche kann die Konstantfahrtbedingung sein. Bei einigen Luftfahrzeugen können die Konstantfahrtbedingungen außerhalb dieser Bereiche, beispielsweise unter Mach 0,7 oder über Mach 0,9, liegen.
Lediglich als ein Beispiel können die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen bei einer Höhe, die im Bereich von 10.000 m bis 15.000 m, beispielsweise im Bereich von 10.000 m bis 12.000 m, beispielsweise im Bereich von 10.400 m bis 11.600 m (etwa 38.000 Fuß) beispielsweise im Bereich von 10.500 m bis 11.500 m, beispielsweise im Bereich von 10.600 m bis 11.400 m, beispielsweise im Bereich von 10.700 m (etwa 35.000 Fuß) bis 11.300 m, beispielsweise im Bereich von 10.800 m bis 11.200 m, beispielsweise im Bereich von 10.900 m bis 11.100 m, beispielsweise in der Größenordnung von 11.000 m, liegt, entsprechen. Die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen bei einer beliebigen gegebenen Höhe in diesen Bereichen entsprechen.
Lediglich als ein Beispiel können die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen Folgendem entsprechen: einer Vorwärts-Mach-Zahl von 0,8; einem Druck von 23.000 Pa und einer Temperatur von -55 Grad C.
So wie sie hier durchweg verwendet werden, können „Konstantgeschwindigkeit“ oder „Konstantgeschwindigkeitsbedingungen“ den aerodynamischen Auslegungspunkt bedeuten. Solch ein aerodynamischer Auslegungspunkt (oder ADP - Aerodynamic Design Point) kann den Bedingungen (darunter beispielsweise die Mach-Zahl, Umgebungsbedingungen und Schubanforderung), für die der Gebläsebetrieb ausgelegt ist, entsprechen. Dies kann beispielsweise die Bedingungen, bei denen das Gebläse (oder das Gasturbinentriebwerk) konstruktionsgemäß den optimalen Wirkungsgrad aufweist, bedeuten.
Im Gebrauch kann ein Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, bei den Konstantgeschwindigkeitsbedingungen, die hier an anderer Stelle definiert werden, betrieben werden. Solche Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können von den Konstantgeschwindigkeitsbedingungen (beispielsweise den Bedingungen während des mittleren Teils des Fluges) eines Luftfahrzeugs, an dem mindestens ein (beispielsweise 2 oder 4) Gasturbinentriebwerk zur Bereitstellung von Schubkraft befestigt sein kann, bestimmt werden.
Für den Fachmann ist verständlich, dass ein Merkmal oder Parameter, das bzw. der in Bezug auf einen der obigen Aspekte beschrieben wird, bei einem beliebigen anderen Aspekt angewendet werden kann, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Des Weiteren kann ein beliebiges Merkmal oder ein beliebiger Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, bei einem beliebigen Aspekt angewendet werden und/oder mit einem beliebigen anderen Merkmal oder Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, kombiniert werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Seitenschnittansicht eines Gasturbinentriebwerks;
2 eine Seitenschnittgroßansicht eines stromaufwärtigen Abschnitts eines Gasturbinentriebwerks;
3 eine zum Teil weggeschnitte Ansicht eines Getriebes für ein Gasturbinentriebwerk;
4 ein Ausführungsbeispiel eines Abschnitts eines Gasturbinentriebwerks, das die axiale hinterste Verdichterstufe eines Hochdruckverdichters, einen Rotorkonus, einen Kühlluftkanal und einen Diffusor umfasst, wobei durch den Diffusor in ihrem Druck erhöhte Luft zur Kühlung des Rotorkonus über Luftkanäle schräg in den Kühlluftkanal eingeblasen wird;
5 ein Ausführungsbeispiel eines weiteren Abschnitts eines Gasturbinentriebwerks, das sich an den in der 4 dargestellten Abschnitt anschließt, wobei der weitere Abschnitt die Fortsetzung des Kühlluftkanals der 4, eine Brennkammer und die axial vorderste Turbinenstufe des Gasturbinentriebwerks umfasst; und
6 in einer Schnittdarstellung entlang der Linie D-D der 4 ein Ausführungsbeispiel von Luftkanälen, die Kühlluft schräg in den Kühlluftkanal und dabei auf den Rotorkonus blasen.

1 stellt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einer Hauptdrehachse 9 dar. Das Triebwerk 10 umfasst einen Lufteinlass 12 und ein Schubgebläse bzw. Fan 23, das zwei Luftströme erzeugt: einen Kernluftstrom A und einen Bypassluftstrom B. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst einen Kern 11, der den Kernluftstrom A aufnimmt. Der Triebwerkskern 11 umfasst in Axialströmungsreihenfolge einen Niederdruckverdichter 14, einen Hochdruckverdichter 15, eine Verbrennungseinrichtung 16, eine Hochdruckturbine 17, eine Niederdruckturbine 19 und eine Kernschubdüse 20. Eine Triebwerksgondel 21 umgibt das Gasturbinentriebwerk 10 und definiert einen Bypasskanal 22 und eine Bypassschubdüse 18. Der Bypassluftstrom B strömt durch den Bypasskanal 22. Das Gebläse 23 ist über eine Welle 26 und ein Epizykloidengetriebe 30 an der Niederdruckturbine 19 angebracht und wird durch diese angetrieben.
Im Gebrauch wird der Kernluftstrom A durch den Niederdruckverdichter 14 beschleunigt und verdichtet und in den Hochdruckverdichter 15 geleitet, wo eine weitere Verdichtung erfolgt. Die aus dem Hochdruckverdichter 15 ausgestoßene verdichtete Luft wird in die Verbrennungseinrichtung 16 geleitet, wo sie mit Kraftstoff vermischt wird und das Gemisch verbrannt wird. Die resultierenden heißen Verbrennungsprodukte breiten sich dann durch die Hochdruck- und die Niederdruckturbine 17, 19 aus und treiben diese dadurch an, bevor sie zur Bereitstellung einer gewissen Schubkraft durch die Düse 20 ausgestoßen werden. Die Hochdruckturbine 17 treibt den Hochdruckverdichter 15 durch eine geeignete Verbindungswelle 27 an. Das Gebläse 23 stellt allgemein den Hauptteil der Schubkraft bereit. Das Epizykloidengetriebe 30 ist ein Untersetzungsgetriebe.
Eine beispielhafte Anordnung für ein Getriebegebläse-Gasturbinentriebwerk 10 wird in 2 gezeigt. Die Niederdruckturbine 19 (siehe 1) treibt die Welle 26 an, die mit einem Sonnenrad 28 der Epizykloidengetriebeanordnung 30 gekoppelt ist. Mehrere Planetenräder 32, die durch einen Planetenträger 34 miteinander gekoppelt sind, befinden sich von dem Sonnenrad 28 radial außen und kämmen damit. Der Planetenträger 34 beschränkt die Planetenräder 32 darauf, synchron um das Sonnenrad 28 zu kreisen, während er ermöglicht, dass sich jedes Planetenrad 32 um seine eigene Achse drehen kann. Der Planetenträger 34 ist über Gestänge 36 mit dem Gebläse 23 dahingehend gekoppelt, seine Drehung um die Triebwerksachse 9 anzutreiben. Ein Außenrad oder Hohlrad 38, das über Gestänge 40 mit einer stationären Stützstruktur 24 gekoppelt ist, befindet sich von den Planetenrädern 32 radial außen und kämmt damit.
Es wird angemerkt, dass die Begriffe „Niederdruckturbine“ und „Niederdruckverdichter“, so wie sie hier verwendet werden, so aufgefasst werden können, dass sie die Turbinenstufe mit dem niedrigsten Druck bzw. die Verdichterstufe mit dem niedrigsten Druck (d. h. dass sie nicht das Gebläse 23 umfassen) und/oder die Turbinen- und Verdichterstufe, die durch die Verbindungswelle 26 mit der niedrigsten Drehzahl in dem Triebwerk (d. h. dass sie nicht die Getriebeausgangswelle, die das Gebläse 23 antreibt, umfasst) miteinander verbunden sind, bedeuten. In einigen Schriften können die „Niederdruckturbine“ und der „Niederdruckverdichter“, auf die hier Bezug genommen wird, alternativ dazu als die „Mitteldruckturbine“ und „Mitteldruckverdichter“ bekannt sein. Bei der Verwendung derartiger alternativer Nomenklatur kann das Gebläse 23 als eine erste Verdichtungsstufe oder Verdichtungsstufe mit dem niedrigsten Druck bezeichnet werden.
Das Epizykloidengetriebe 30 wird in 3 beispielhaft genauer gezeigt. Das Sonnenrad 28, die Planetenräder 32 und das Hohlrad 38 umfassen jeweils Zähne um ihre Peripherie zum Kämmen mit den anderen Zahnrädern. Jedoch werden der Übersichtlichkeit halber lediglich beispielhafte Abschnitte der Zähne in 3 dargestellt. Obgleich vier Planetenräder 32 dargestellt werden, liegt für den Fachmann auf der Hand, dass innerhalb des Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung mehr oder weniger Planetenräder 32 vorgesehen sein können. Praktische Anwendungen eines Epizykloidengetriebes 30 umfassen allgemein mindestens drei Planetenräder 32.
Das in 2 und 3 beispielhaft dargestellte Epizykloidengetriebe 30 ist ein Planetengetriebe, bei dem der Planetenträger 34 über Gestänge 36 mit einer Ausgangswelle gekoppelt ist, wobei das Hohlrad 38 festgelegt ist. Jedoch kann eine beliebige andere geeignete Art von Epizykloidengetriebe 30 verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel kann das Epizykloidengetriebe 30 eine Sternanordnung sein, bei der der Planetenträger 34 festgelegt gehalten wird, wobei gestattet wird, dass sich das Hohlrad (oder Außenrad) 38 dreht. Bei solch einer Anordnung wird das Gebläse 23 von dem Hohlrad 38 angetrieben. Als ein weiteres alternatives Beispiel kann das Getriebe 30 ein Differenzialgetriebe sein, bei dem gestattet wird, dass sich sowohl das Hohlrad 38 als auch der Planetenträger 34 drehen.
Es versteht sich, dass die in 2 und 3 gezeigte Anordnung lediglich beispielhaft ist und verschiedene Alternativen in dem Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung liegen. Lediglich beispielhaft kann eine beliebige geeignete Anordnung zur Positionierung des Getriebes 30 in dem Triebwerk 10 und/oder zur Verbindung des Getriebes 30 mit dem Triebwerk 10 verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel können die Verbindungen (z. B. die Gestänge 36, 40 in dem Beispiel von 2) zwischen dem Getriebe 30 und anderen Teilen des Triebwerks 10 (wie z. B. der Eingangswelle 26, der Ausgangswelle und der festgelegten Struktur 24) einen gewissen Grad an Steifigkeit oder Flexibilität aufweisen. Als ein weiteres Beispiel kann eine beliebige geeignete Anordnung der Lager zwischen rotierenden und stationären Teilen des Triebwerks (beispielsweise zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle des Getriebes und den festgelegten Strukturen, wie z. B. dem Getriebegehäuse) verwendet werden, und die Offenbarung ist nicht auf die beispielhafte Anordnung von 2 beschränkt. Beispielsweise ist für den Fachmann ohne Weiteres erkenntlich, dass sich die Anordnung von Ausgang und Stützgestängen und Lagerpositionierungen bei einer Sternanordnung (oben beschrieben) des Getriebes 30 in der Regel von jenen, die beispielhaft in 2 gezeigt werden, unterscheiden würden.
Entsprechend dehnt sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk mit einer beliebigen Anordnung der Getriebearten (beispielsweise sternförmig oder planetenartig), Stützstrukturen, Eingangs- und Ausgangswellenanordnung und Lagerpositionierungen aus.
Optional kann das Getriebe Neben- und/oder alternative Komponenten (z. B. den Mitteldruckverdichter und/oder einen Nachverdichter) antreiben.
Andere Gasturbinentriebwerke, bei denen die vorliegende Offenbarung Anwendung finden kann, können alternative Konfigurationen aufweisen. Beispielsweise können derartige Triebwerke eine alternative Anzahl an Verdichtern und/oder Turbinen und/oder eine alternative Anzahl an Verbindungswellen aufweisen. Als ein weiteres Beispiel weist das in 1 gezeigte Gasturbinentriebwerk eine Teilungsstromdüse 20, 22 auf, was bedeutet, dass der Strom durch den Bypasskanal 22 seine eigene Düse aufweist, die von der Triebwerkskerndüse 20 separat und davon radial außen ist. Jedoch ist dies nicht einschränkend und ein beliebiger Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann auch auf Triebwerke zutreffen, bei denen der Strom durch den Bypasskanal 22 und der Strom durch den Kern 11 vor (oder stromaufwärts) einer einzigen Düse, die als eine Mischstromdüse bezeichnet werden kann, vermischt oder kombiniert werden. Eine oder beide Düsen (ob Misch- oder Teilungsstrom) kann einen festgelegten oder variablen Bereich aufweisen. Obgleich sich das beschriebene Beispiel auf ein Turbogebläsetriebwerk bezieht, kann die Offenbarung beispielsweise bei einer beliebigen Art von Gasturbinentriebwerk, wie z. B. bei einem Open-Rotor- (bei dem die Gebläsestufe nicht von einer Triebwerksgondel umgeben wird) oder einem Turboprop-Triebwerk, angewendet werden. Bei einigen Anordnungen umfasst das Gasturbinentriebwerk 10 möglicherweise kein Getriebe 30.
Die Geometrie des Gasturbinentriebwerks 10 und Komponenten davon wird bzw. werden durch ein herkömmliches Achsensystem definiert, das eine axiale Richtung (die auf die Drehachse 9 ausgerichtet ist), eine radiale Richtung (in der Richtung von unten nach oben in 1) und eine Umfangsrichtung (senkrecht zu der Ansicht in 1) umfasst. Die axiale, die radiale und die Umfangsrichtung verlaufen senkrecht zueinander.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung sind die Ausgestaltung der axialen hintersten Stufe des Hochdruckverdichters und die Kühlung eines Rotorkonus des Rotors dieser axialen hintersten Verdichterstufe von Bedeutung.
Zur verwendeten Terminologie wird darauf hingewiesen, dass die axial hintersten Stufe des Hochdruckverdichters nachfolgend auch als letzte Verdichterstufe bezeichnet wird. In vergleichbarer Weise wird die axial vorderste Stufe der Hochdruckturbine des Gasturbinentriebwerks nachfolgend auch als erste Turbinenstufe bezeichnet.
Die 4 zeigt im Längsschnitt den axial hinteren Bereich eines als Axialverdichter ausgebildeten Hochdruckverdichters 15 eines Gasturbinentriebwerks, das gemäß der 1-3 oder alternativ ohne ein Epizykloidengetriebe ausgebildet sein kann. Dabei sind eine axial hinterste, letzte Verdichterstufe 4, 5 sowie eine davor gelegene, vorletzte Verdichterstufe 400, 410 dargestellt. Die letzte Verdichterstufe umfasst einen Rotor 4 und einen Stator 5. Der Rotor 4 weist eine Rotorscheibe 41 und Laufschaufeln 42 auf, die beispielsweise über eine Schwalbenschwanzverbindung 45 mit der Rotorscheibe 41 verbunden sind. Die Laufschaufeln 42 und die Rotorscheibe 41 können alternativ einstückig ausgebildet sein. Die Laufschaufeln 42 erstrecken sich im Hauptströmungskanal 90 des Hochdruckverdichters 15. Der Stator 5 ist mit einem Gehäuse verbunden und umfasst Leitschaufeln 50, die sich im Hauptströmungskanal 90 des Hochdruckverdichters 15 erstrecken.
In entsprechender Weise weist die vorletzte Verdichterstufe einen Rotor 400 mit einer Rotorscheibe 401 und Laufschaufeln 402 sowie einen Stator mit Leitschaufeln 410 auf.
Der Stator 5 der letzten Verdichterstufe stellt das Ausgangsleitrad (OGV - „Outlet Guide Vane“) des Hochdruckverdichters dar. An diesen schließt sich ein Diffusor 60 an, der die kinetische Energie der Strömung im Hauptströmungskanal 90 teilweise in statische Druckerhöhung wandelt. Somit liegt am Ausgang des Diffusors 60 ein statischer Druck p2 vor, der größer ist als der statische Druck p1 im Hauptströmungskanal 90 hinter dem Rotor 4.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Stator 5 und der Diffusor 60 durch ein gemeinsames Bauteil 65 gebildet sind. Dies ist aber nicht notwendigerweise der Fall. In anderen Ausgestaltungen sind der Stator 5 und der Diffusor 60 als gesonderte Bauteile ausgebildet. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Diffusor 60 mit dem Gehäuse der Verbrennungseinrichtung bzw. Brennkammer 16 des Gasturbinentriebwerks gekoppelt ist.
Es ist stromabwärts des Diffusors 60 eine Brennkammer 16 angeordnet, der in an sich bekannter Weise die durch den Diffusor 60 in ihrem Druck erhöhte Luft zugeführt wird.
Der Rotor 4 umfasst des Weiteren als Außenbegrenzung einen Rotorkonus 43, der sich in axialer Richtung verjüngt und der die axial vordere Begrenzung eines Kühlluftkanals 7 bildet. Der Kühlluftkanal 7 erstreckt sich dabei ausgehend von einem Ringspalt 75, der in der radial inneren Strömungspfadberandung des Hauptströmungskanals 90 zwischen dem Rotor 4 und dem Stator 5 ausgebildet ist. Die axial hintere Begrenzung des Kühlluftkanals 7 bildet ein statisch angeordneter Wandbereich 61, der beabstandet zum Rotorkonus 43 angeordnet ist. Der statisch angeordnete Wandbereich 61 ist beispielsweise mit dem Diffusor 60 und/oder einem Gehäuse der Brennkammer 16 verbunden. Er ist nichtrotierend angeordnet, während der Rotorkonus 43 rotiert.
Dabei kann vorgesehen sein, dass weitere statisch angeordnete Wandbereiche vorgesehen sind, wie ein weiterer Wandbereich 62, der axial beabstandet zu dem Wandbereich 61 angeordnet ist und einen Raum begrenzt, der sich an den Ausgang 61 des Diffusor 60 anschließt.
Der Kühlluftkanal 7 ist durch eine Dichtung 44 verschlossen, die die Verbindung zwischen dem Hauptströmungskanal 90 und dem Kühlluftkanal 7 bis auf einen unvermeidbaren Leckagestrom C3 schließt. Die Dichtung 44 ist dabei mechanisch mit dem Rotor 4 verbunden und beispielsweise unmittelbar angrenzend an den Ringspalt 75 im Kühlluftkanal 7 ausgebildet. Die Dichtung 44 kann dabei in zahlreichen Ausführungsvarianten realisiert sein, beispielsweise als Labyrinthdichtung.
Die dargestellte Baugruppe des Gasturbinentriebwerks umfasst des Weiteren eine Mehrzahl von Luftkanälen 8, die dazu dienen, Luft, die den Diffusor 60 verlassen hat, in den Kühlluftkanal 7 zu leiten. Die Luftkanäle 8 weisen jeweils eine Eingangsöffnung 81 und eine Ausgangsöffnung 82 auf. Die Eingangsöffnung 81 ist dabei in dem statisch angeordneten Wandbereich 62 und die Ausgangsöffnung 82 in dem statisch angeordneten Wandbereich 61, der den Kühlluftkanal 7 begrenzt, ausgebildet. Dies ist jedoch lediglich beispielhaft zu verstehen. Beispielsweise können Röhren, die die Luftkanäle 8 beispielsweise ausbilden, über den jeweiligen Wandbereich 62, 61 hinausragen.
Die 6 zeigt eine in einer Ebene ausgerollte Schnittansicht der Luftkanäle 8 entlang der Linie D-D der 4. Es sind eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandeten Luftkanälen 8 vorgesehen, die sich zwischen der Wandung 62 und der Wandung 61 erstrecken und jeweils eine Eingangsöffnung 81 und eine Ausgangsöffnung 82 aufweisen. Die Luftkanäle 8 sind gradlinig ausgebildet und werden beispielsweise durch Röhren mit einer Wand 80 gebildet. Der Querschnitt der Luftkanäle 8 ist beispielsweise kreisförmig oder ellipsenförmig.
Über die Eingangsöffnung 81 strömt Luft einer Luftströmung C1, die aus dem Hauptströmungspfad hinter dem Diffusor 60 entnommen ist, durch die Luftkanäle 8 und verlässt diese als Luft einer Luftströmung C2, die durch die Ausrichtung der Kanäle 8 eine bestimmte Richtung aufweist. Die Luft gemäß der Strömung C2 wird dabei in den Kühlluftkanal 7 eingeblasen, der zwischen dem Rotorkonus 43 und dem Wandbereich 61 ausgebildet ist. Dabei umfasst die eingeblasene Luft der Strömung C2 eine Richtungskomponente in Drehrichtung E des Rotors bzw. des Rotorkonus 43. Eine weitere Richtungskomponente verläuft entgegen der axialen Richtung, ist also auf den Rotorkonus 43 gerichtet.
Die Ausrichtung der Kanäle 8 ist dabei beispielsweise derart, dass der Winkel a, den die Längsachse 83 mit der axialen Richtung 9 bildet, im Bereich zwischen 100° und 150° liegt. Der Winkel α ist dabei in Bezug auf die zum Triebwerksausgang gerichtete axiale Richtung 9 definiert. Der genannte Winkelbereich ist jedoch lediglich beispielhaft zu verstehen.
Je mehr sich der Winkel α einem Winkel von 90° nähert, je mehr die Luftkanäle 8 somit in Drehrichtung E ausgerichtet sind, desto effektiver erfolgt aufgrund einer dann reduzierten Relativgeschwindigkeit zwischen der aus den Luftkanälen 8 ausgeblasenen Kühlluft und dem Rotorkonus 43 eine Kühlung des Rotorkonus 43. Diese Relativgeschwindigkeit wird naturgemäß auch reduziert, je größer die Geschwindigkeit ist, mit der die Kühlluft die Luftkanäle 8 durchströmt. Dementsprechend ist es von Vorteil, wenn über den Luftkanälen 8 ein hohes treibendes Druckgefälle vorliegt. Es ist somit vorteilhaft, wenn der statische Druck p2, der an der Eingangsöffnung 81 der Luftkanäle 8 vorliegt, deutlich größer ist als der statische Druck p3, der im Kühlluftkanal 7 an der Ausgangsöffnung 82 der Luftkanäle 8 vorliegt.
Im Folgenden wird erneut auf die 4 Bezug genommen. Durch die Dichtung 44 und die Luftkanäle 8 bzw. deren Ausgangsöffnungen 82 zum Kühlluftkanal 7 hin ist dieser in mehrere Abschnitte unterteilt. Ein Abschnitt 73 wird durch den Bereich gebildet, in dem die Ausgangsöffnungen 82 der Luftkanäle 8 in der Wandung 61 angeordnet wird. Es handelt sich hierbei um den Abschnitt, in den durch die Luftkanäle 8 Luft in den Kühlluftkanal eingeblasen wird. Ein weiterer Abschnitt 72 des Kühlluftkanals 7 erstreckt sich zwischen der Dichtung 44 und den Ausgangsöffnungen 82 der Luftkanäle 8 bzw. dem Abschnitt 73. Ein weiterer Abschnitt 71 ist durch einen schrägen Verlauf gekennzeichnet, in dem der Kühlluftkanal 7 schräg zur axialen Richtung verläuft, entsprechend der konischen Ausbildung des Rotorkonus 43. Dabei kann der Abschnitt 71 die Abschnitte 73 und 72 mit umfassen. Weiter umfasst der Kühlluftkanal 7 einen Abschnitt 74, der im Wesentlichen axial ausgerichtet ist und der Kühlluft zu der ersten Turbinenstufe der Turbine des Gasturbinentriebwerks transportiert.
Der Rotorkonus 43 geht in dem Abschnitt 74 des Kühlluftkanals 7 ebenfalls in einen im Wesentlichen axial ausgerichteten Abschnitt über. Der Rotorkonus 43 bildet einen Teil der Hochdruckwelle 27, die die Hochdruckturbine und den Hochdruckverdichter des Triebwerks verbindet und die dem rotatorischen Antrieb der Rotoren des Hochdruckverdichters dient.
Es wird darauf hingewiesen, dass durch geeignete Platzierung der Luftkanäle 8 und deren Austrittsöffnungen 82 die Kühlung bestimmter Komponenten bzw. Bereiche des Rotors 4 in besonderem Maße erreicht werden kann, da diese Komponenten bzw. Bereiche unmittelbar von der ausgeblasenen Luft angeströmt werden. Gemäß der 4 wird dabei eine geschweißte Verbindung 46 zwischen dem Rotorkonus 43 und einem stromaufwärts angrenzenden Abschnitt der Rotorscheibe 41 von der ausströmenden Luft angeströmt, so dass diese Verbindung 46 eine intensive Kühlung erfährt. Alternativ kann die ausströmende Luft auch auf andere Komponenten oder Bereiche gerichtet sein.
Bevor auf die Funktionsweise der Kühlung des Rotorkonus 43 bei der Anordnung gemäß der 4 eingegangen wird, wird zunächst unter Bezugnahme auf die 5 die durch die Kühlluft gekühlte erste Turbinenstufe der Turbine erläutert. Gemäß der 5 umfasst die sich an die Brennkammer 16 anschließende Hochdruckturbine 17 eine erste Turbinenstufe 101, die einen Stator 102 (das Eintrittsleitrad, auch als NGV („Nozzle Guide Vane“) bezeichnet) und einen Rotor 103, 104 umfasst. Der Rotor umfasst eine Turbinenscheibe 104 und im Hauptströmungskanal angeordnete Laufschaufeln 103. Die 5 zeigt den axial hinteren Abschnitt 74 des Kühlluftkanals 7, der durch den Wandbereich 61 sowie die Hochdruckwelle 27 begrenzt wird. Die Kühlluft bildet verschiedene Luftströme B1, B2 und B3. Der Luftstrom B1 kühlt die Turbinenscheibe 104. Der Luftstrom B2 wird in den Ringraum des Hauptströmungskanals eingeblasen und dient beispielsweise einer aktiven Blattspitzenspaltkontrolle. Der Luftstrom B3 dient der Kühlung der Laufschaufeln 103 des Rotors.
In der Turbine wird der statische Druck im Hauptströmungskanal reduziert, so dass hinter der ersten Turbinenstufe 101 ein statischer Druck p4 vorliegt, der niedriger ist als der statische Druck in der letzten Verdichterstufe 4, 5 des Hochdruckverdichters 15. Es liegt insofern in der ersten Turbinenstufe 101 eine Drucksenke vor. Da im Kühlluftkanal 7 keine Dichtungen oder dergleichen vorliegen, die den Kühlluftstrom blockieren (die Dichtung 44 befindet sich stromaufwärts der Austrittsöffnungen 82), ist der Druck p3 (vgl. 4), der im Kühlluftkanal 7 am Ausgang der Kühlluftkanäle 8 herrscht, näherungsweise gleich dem Druck p4, jedenfalls niedriger als der Druck in der letzten Verdichterstufe 4, 5.
Zur Kühlung des Rotorkonus 43 strömt Kühlluft mit einer Richtungskomponente in Drehrichtung E des Rotorkonus 43 in den Kühlluftkanal 7. Aufgrund der Richtungskomponente der Kühlluft in Drehrichtung E und eines hohen treibenden Druckgefälles über den Luftkanälen 8 wird dabei eine effektive Kühlung des Rotorkonus 43 erreicht.
Das hohe treibende Druckverhältnis über den Luftkanälen 8 wird dadurch erreicht, dass der Druck p3 in dem Abschnitt 73 des Kühlluftkanals, in den die Luft durch die Luftkanäle 8 eingeblasen wird, kleiner ist als der Druck p1 im Bereich der letzten Verdichterstufe 4, 5. Gleichzeitig ist der Druck p2, der hinter dem Diffusor 60 vorliegt und der an den Eingangsöffnungen 81 der Luftkanäle anliegt, größer als der Druck p1 im Bereich der letzten Verdichterstufe. Dieses Druckgefälle führt zu einer Luftströmung durch die Luftkanäle 8, ohne dass hierzu gesonderte Maßnahmen wie Leitbleche oder dergleichen hinter dem Diffusor 60 erforderlich sind. Der Querschnitt und die Anzahl der Luftkanäle 8 ist so ausgelegt, dass bei dem sich im Betrieb einstellenden Druckgefälle über den Luftkanälen 8 ein gewünschter Anteil der Luft des Hauptströmungskanals für Kühlungszwecke abgezweigt wird.
Dass der Druck p3 in dem Abschnitt 73 des Kühlluftkanals, in den die Luft durch die Luftkanäle 8 eingeblasen wird, kleiner ist als der Druck p1 im Bereich der letzten Verdichterstufe 4, 5, wird durch zwei Maßnahmen erreicht. Zum einen ist der Kühlluftkanal strömungstechnisch mit der Drucksenke der ersten Turbinenstufe 104 gekoppelt, so dass der niedrige Druck p4 der Drucksenke sich zumindest näherungsweise in den Kühlluftkanal 7 fortsetzt. Zum anderen ist der Kühlluftkanal 7 durch die Dichtung 44 vom Druck p1 im Hauptströmungskanal 90 getrennt, wodurch das treibende Druckgefälle über den Luftkanälen 8 erhöht wird.
Aufgrund der vorliegenden Druckverhältnisse passiert die Dichtung 44 lediglich ein kleiner Leckagestrom C3. Der größere Anteil an Kühlluft wird durch die Strömung C2 bereitgestellt, die durch die Luftkanäle 8 in den Kühlluftkanal 7 eingeblasen wird. Die Leckageströmung C3 und die Strömung C2 vereinen sich zu der Strömung C4, die mit einer Richtungskomponente in Drehrichtung des Rotors am Rotorkonus 43 entlang strömt und diesen dabei in effektiver Weise kühlt.
Der Vollständigkeit halber wird noch darauf hingewiesen, dass die Totaltemperaturen der Leckageströmung C1 und der Strömung C2 im Wesentlichen identisch sind. Insbesondere erfolgt im Diffusor 60 keine Erhöhung der Totaltemperatur der Luft, da im Diffusor der Luft weder Arbeit zugeführt wird noch eine Wärmeübertragung erfolgt.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Auch wird hingewiesen, dass beliebige der beschriebenen Merkmale separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden können, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale aus, die hier beschrieben werden und umfasst diese. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2017/0292532 A1 [0004]
US 2016/0146089 A1 [0004]

Claims

Gasturbinentriebwerk, das aufweist: - einen Axialverdichter (15) in einem Hauptströmungskanal (90) des Gasturbinentriebwerks (10), der eine axial hinterste Verdichterstufe (4, 5) aufweist, die einen Rotor (4) und einen zu diesem stromabwärts angeordneten Stator (5) umfasst, wobei o der Rotor (4) einen Rotorkonus (43) aufweist, der sich in axialer Richtung verjüngt, und o der Rotor (4) im Betrieb des Gasturbinentriebwerks (10) eine Drehrichtung aufweist, - einen Kühlluftkanal (7), der stromabwärts des Rotors (4) vom Hauptströmungskanal (90) abzweigt und der einen schräg zur axialen Richtung verlaufende Abschnitt (71) aufweist, wobei der schräg zur axialen Richtung verlaufende Abschnitt (71) axial vorne durch den Rotorkonus (43) und axial hinten durch einen statisch angeordneten Wandbereich (61) gebildet ist, der beabstandet zum Rotorkonus (43) angeordnet ist, - einen stromabwärts der axial hintersten Verdichterstufe (4, 5) angeordneten Diffusor (60), der dazu vorgesehen und ausgebildet ist, kinetische Energie der Strömung im Hauptströmungskanal (90) in statische Druckerhöhung zu wandeln, - eine stromabwärts des Diffusors (60) angeordnete Brennkammer (16), der die durch den Diffusor (60) in ihrem Druck erhöhte Luft zugeführt wird, und - eine stromabwärts der Brennkammer (16) angeordnete Turbine (17) mit einer axial vordersten Turbinenstufe (101), - wobei der Kühlluftkanal (7) dazu vorgesehen und ausgebildet ist, Kühlluft der axial vordersten Turbinenstufe (101) zuzuführen, gekennzeichnet durch - eine Mehrzahl von Luftkanälen (8), die dazu vorgesehen und ausgebildet sind, vom Ausgang des Diffusors (60) abgezweigte Luft des Hauptströmungskanals (90) mit einer Richtungskomponente in Drehrichtung (E) des Rotors (4) in den Kühlluftkanal (7) einzublasen, und - eine Dichtung (44), die stromaufwärts des Abschnitts (73), in dem Luft in den Kühlluftkanal (7) eingeblasen wird, im Kühlluftkanal (7) angeordnet ist, - wobei der Kühlluftkanal (7) strömungstechnisch derart mit der axial vordersten Turbinenstufe (101) gekoppelt ist, dass im Betrieb des Gasturbinentriebwerks (10) der Druck (p3) im Kühlluftkanal (7) in dem Abschnitt (73), in dem Luft in den Kühlluftkanal (7) eingeblasen wird, kleiner ist als der Druck (p1) im Hauptströmungskanal (90) im Bereich der axial hintersten Verdichterstufe (4, 5).
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftkanäle (8) jeweils eine Eingangsöffnung (81) und eine Ausgangsöffnung (82) aufweisen, wobei die Eingangsöffnung (81) mit der in ihrem Druck erhöhten Luft des Diffusors (60) beaufschlagt ist und die Ausgangsöffnung (82) in dem statisch angeordneten Wandbereich (61) ausgebildet oder beabstandet zu dem statisch angeordneten Wandbereich (61) im Kühlluftkanal (7) angeordnet ist.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsöffnung (81) bezogen auf die Strömungsrichtung im Gasturbinentriebwerk stromabwärts der Ausgangsöffnung (82) angeordnet ist.
Gasturbinentriebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftkanäle (8) derart ausgebildet sind, dass die Luft mit einer axial nach vorne gerichteten Komponente in den Kühlluftkanal (7) einblasen wird.
Gasturbinentriebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftkanäle (8) derart ausgebildet sind, dass Luft im Bereich des schräg zur axialen Richtung verlaufenden Abschnitts (71) in den Kühlluftkanal (71) einblasen wird.
Gasturbinentriebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftkanäle (8) derart ausgerichtet sind, dass die Luft in einem Winkel (a) zur axialen Richtung (9) in den Kühlluftkanal (7) eingeblasen wird, der im Bereich zwischen 100° und 150° liegt.
Gasturbinentriebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftkanäle (8) zumindest teilweise durch den statisch angeordneten Wandbereich (61) gehalten und positioniert sind.
Gasturbinentriebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der statisch angeordnete Wandbereich (61) mit dem Diffusor (60) und/oder dem Gehäuse der Brennkammer (95) verbunden ist.
Gasturbinentriebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftkanäle (8) jeweils durch Röhren gebildet sind.
Gasturbinentriebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftkanäle (8) jeweils einen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt aufweisen.
Gasturbinentriebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftkanäle (8) jeweils gradlinig ausgebildet sind.
Gasturbinentriebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftkanäle (8) in Umfangsrichtung zueinander beabstandet sind.
Gasturbinentriebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlluftkanal (7) in dem zur axial vordersten Turbinenstufe (101) führenden Abschnitt (71, 74) keine Dichtung angeordnet ist oder lediglich eine Dichtung angeordnet ist, an der kein substanzieller Druckabfall erzeugt wird.
Gasturbinentriebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (60) einstückig mit dem Stator (5) der axial hintersten Verdichterstufe ausgebildet ist.
Gasturbinentriebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Rotor (4) und dem zu diesem stromabwärts angeordneten Stator (5) radial innen ein Ringspalt (75) ausbildet ist, ausgehend von dem sich der Kühlluftkanal (7) erstreckt, wobei die Dichtung (44) in dem Ringspalt (75) oder angrenzend an diesen angeordnet ist.
Gasturbinentriebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (44) an dem Rotor (4) befestigt ist.
Verfahren zum Kühlen eines Rotorkonus (43) eines Rotors (4) der axial hintersten Verdichterstufe (4, 5) eines Axialverdichters (15) in einem Gasturbinentriebwerk insbesondere nach Anspruch 1, mit den Schritten: - Bereitstellen eines Kühlluftkanals (7) zwischen dem Rotorkonus (43) und einem zum Rotorkonus (43) beabstandeten, statisch angeordneten Wandbereich (61), wobei der Kühlluftkanal (7) strömungstechnisch mit einer Drucksenke im Bereich der axial vordersten Turbinenstufe (101) der Turbine (17) des Gasturbinentriebwerks gekoppelt ist, - Abzweigen von Luft aus dem Hauptströmungskanal (90) des Gasturbinentriebwerks, nachdem die Luft einen stromabwärts der axial hintersten Verdichterstufe (4, 5) des Axialverdichters angeordneten Diffusor (60) passiert hat; - Leiten der abgezweigten Luft über Luftkanäle (8) in den Kühlluftkanal (7), wobei die Luft mit einer Richtungskomponente in Drehrichtung (E) des Rotors (4) in den Kühlluftkanal (7) eingeblasen wird, und - Leiten der in den Kühlluftkanal (7) eingeblasenen Luft entlang des Rotorkonus (43) und weiter in Richtung der Drucksenke, - wobei der Druck (p3) im Kühlluftkanal (7) aufgrund der strömungstechnischen Kopplung mit der Drucksenke in dem Abschnitt (73), in dem Luft in den Kühlluftkanal (7) eingeblasen wird, geringer ist als der Druck (p1) im Hauptströmungskanal im Bereich der axial hintersten Verdichterstufe (4, 5), wobei diese Druckdifferenz zumindest teilweise aufrechterhalten wird durch eine Dichtung (44), die stromaufwärts des Abschnitts (73), in dem Luft in den Kühlluftkanal (7) eingeblasen, im Kühlluftkanal (7) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft, die über die Luftkanäle (8) in den Kühlluftkanal (7) eingeblasen wird, stromabwärts der Hinterkante (61) des Diffusors (60) entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass Luft mit einer axial nach vorne gerichteten Komponente in den Kühlluftkanal (7) einblasen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft über die Luftkanäle (8) derart in den Kühlluftkanal (7) eingeleitet wird, dass sie auf eine geschweißte Verbindung (46) zwischen dem Rotorkonus (43) und einem Abschnitt der Rotorscheibe (41) gerichtet ist.